Amplificatoare operationale

 

Amplificatoare operationale

Capitolul I

Amplificator operational. Parametri

Amplificatoarele operationale sunt amplificatoare de curent continuu cu reactie negativa interioara si prevazute cu o bucla de reactie negativa externa, care initial puteau exercita o diferite operatii, ca adunarea, scaderea, inmultirea si impartirea cu o constanta(in curent continuu) si cu extindere (in curent alternativ) precum si operatii mai complexe: derivare, integrare, obtinere de functii logaritmice. In prezent domeniul lor de utilizare este mult mai extins. Prevazute in bucla de reactie cu retele mai complexe, amplificatoarele operationale actuale pot realiza cele mai diverse functii cu performante ridicate si perfect controlabile. Amplificatoarele operationale pot prezenta, in general, doua intrari si doua iesiri putand lucra astfel:

o intrare si o iesire

doua intrari si doua iesiri

doua intrari si o iesire

Figura I.1 Schema amplificator operational elementar

b)

a)

Amplificatoarele operationale au un punct de masa(nul) fasa de care se stabilesc atat tensiunea de alimentare() cat si tensiunile de intrare() si de iesire().

Tensiunea de iesire a unui amplificator operational este data sub forma cea mai generala astfel:

- este amplificarea diferentiala in bucla deschisa;

- amplificarea pe mod comun in bucla deschisa;

- tensiunea de decalaj(care apare la iesire cand intrarile sunt nule);

- tensiunea diferentiala de intrare

- media aritmetica a tensiunilor de intrare

Parametri

Factorul de amplificare(castigul) diferential in bucla deschisa

reprezinta raportul dintre variatia tensiunii de iesire() si tensiunea diferentiala de intrare(figura 1.b)

2.Factorul de amplificare pe mod comun in bucla deschisa

reprezinta raportul intre variatia tensiunii de iesire si media aritmetica a tensiunilor de intrare

Acest parametru rezulta din faptul ca, chiar in cazul in care cele doua tensiuni de intrare, ,sunt egale insa diferite de zero se produce tensiunea la iesirea amplificatorului operational. In cazul ideal, al amplificatorului operational perfect

3.Tensiunea de decalaj(offset) de la intrare

este valoarea tensiunii continue aplicata la una din intrarile circuitului pentru care iesirea este nula,

4.Curentul de polarizare de intrare -

este valoarea medie a curentilor de intrare

5.Factorul de rejectie pe mod comun - CMR

Este raportul dintre factorul de amplificare diferential si factorul de amplificare pe mod comun .

Conform celor aratate mai sus, intrucat la un amplificator perfect , rezulta in acest caz

6.Banda de trecere in bucla deschisa

Este domeniul (gama) de frecvente in care amplificarea scade la valoarea de fata de valoarea maxima:

Capitolul II

Amplificator operational proportional

II.1.Amplificator proportional inversor

Schema de principiu (de curent alternativ) este reprezentata in figura II.1.Semnalul se aplica pe borna notata (-) iar borna notata (+) este legata la masa.

Aplicand teorema I a lui Kirchhoff in jurul nodului de intrare se obtine relatia:

unde este curentul dat de tensiunea aplicata la intrarea (-)

curentul de reactie, ce apare prin bucla deschisa formata de rezistenta

Figura II.1.Amplificator proportional inversor

este curentul prin intrarea amplificatorului operational.

Deoarece deci dar

deoarece

.Se obtine astfel

si deci

Se observa ca semnul (-) indicand ca tensiunea de iesire este in opozitie de faza cu cea de intrare.

Unele proprietati ale amplificatoarelor operationale se pot deduce din aceasta relatie. Astfel

Inmultirea cu o constanta. Punand conditia

, k>1 se obtine

Impartirea cu o constanta. Daca

, k>1 atunci

deci tensiunea de iesire este o fractiune a tensiunilor de intrare.

Circuit repetor. Pentru

avem

Se observa ca prin montarea in cascada a unui numar de amplificatoare operationale, se pot obtine tensiuni in faza ce cea de intrare.

Circuit sumator. In cazul cand la intrarea inversoare se aplica mai multe tensiuni, prin intermediul unor rezistente, la iesire se obtine un semnal in antifaza, proportional cu suma lor. In schema din figura II.2 se pot scrie relatiile urmatoare aplicand prima teorema a lui Kirchhoff in jurul nodului A

dar

Figura II.2 Amplificator operational inversor sumator

Presupunand, pentru simplificare

rezulta

II.2.Amplificator proportional neinversor

In acest caz semnalul se aplica pe borna cu (+) .Schema amplificatorului este reprezentata in figura II.3. In acest caz, pentru a deduce valoarea amplificarii se observa ca tensiunea intre borna A si masa se obtine tensiunea de iesire astfel

Dar, deoarece , atunci deci ( reprezinta tensiune de intrare). In acest caz .

Notand

se observa ca semnalul de iesire este in faza cu cel de intrare.

Proprietatile acestui amplificator se pot deduce ca si in cazul celui inversor din formula amplificarii. Se observa ca el nu poate diviza deoarece , decat in cazul in care una dintre rezistentele se inlocuieste cu un dispozitiv ce prezinta o rezistenta Figura II.3.Amplificator proportional neinversor negativa (dioda tunel).

Cu elemente fizice obisnuite el poate realiza urmatoarele:

Inmultirea cu o constanta. Se pune conditia:

Atunci

Sumator. Pe circuitul din figura II.4 se pot stabili urmatoarele relatii

.

In jurul nodului B aplicand prima teorema a lui Kirchhoff obtinem

Figura II.4.Amplificator proportional neinversor sumator

in care

Inlocuind, obtinem

Pentru simplificare presupunem ca gasim

Dar si deci

si daca :

Se observa ca la iesire s-a obtinut suma tensiunilor aplicate la intrare in aceiasi faza-

Pentru a functiona in curent alternativ, amplificatorul operational trebuie sa fie prevazut cu condensatoare pe circuitele de semnal sau pe cele de reactie, dupa scopul urmarit. Obtinerea unei amplificari liniare impune alegerea judicioasa a valorilor condensatoarelor folosite.

Capitolul III

Amplificator operational integrator, derivativ

proportional integrator si proportional derivativ

III.1.Amplificator operational integrator

Obtinerea legii. Pentru obtinerea legii de tip integral(I) se foloseste schema din figura III.1. cu aplicare semnalului de intrare la borna inversoare, cu o rezistenta in circuitul de intrare si o capacitate in circuitul de reactie

Pentru curentul prin rezistenta rezulta relatia iar pentru curentul prin capacitatea se obtine relatia unde tensiunea , de la bornele capacitatii are expresia

.

Din ultimele doua relatii rezulta ca Figura III.1.Amplificator operational integrator

Stiind ca , rezulta ca sau ;

Integrand aceasta relatie se obtine:

Aceasta expresie arata ca schema din figura III.1 realizeaza o lege TI, tensiunea de iesire fiind proportionala cu integrala tensiunii de intrare . Notand :

expresia capata aspectul

Semnul minus al expresiei este determinat de aplicarea semnalului de intrare la borna inversoare.

III.2Amplificator operational derivativ

Obtinerea legii. Legea de tip derivativ (D) nu se foloseste separat , dar componenta derivativa intervine in legile PD si PID . Pentru obtinerea legii D se foloseste schema din

figura III.2, cu folosirea bornei de intrare inversoare, cu capacitatea in circuitul de intrare si cu rezistenta in circuitul de reactie; datorita schimbarii pozitiilor rezistentei si capacitatii (in raport cu schema din figura III.1. ) in locul unui efect de integrare se obtine un efect de derivare.

Mentinand aproximatiile anterioare pentru amplificatorul operational rezulta relatia:

; si inlocuind aceste

Figura III.2.Amplificator

operational derivativ valori in relatia se obtine

respectiv

Se obtine astfel o lege D, semnalul de iesire fiind proportional cu semnalul de intrare si notand , relatia va capata aspectul

III.3.Amplificator operational proportional integrator(PI)

PI inversor

Figura III.3.1 Amplificator proportional integrator PI

PI neinversor

Figura III-3.2.Amplificator proportional integrator neinversor

III.4.Amplificator operational proportional derivativ(PD)

PD inversor

   

   

;

Figura III.4.1.Amplificator proportional derivativ inversor

PD neinversor

Figura III.4.2.Amplificator operational proportional derivator neinversor

Capitolul IV

Influenta reactiei negative asupra parametrilor amplificatorului

IV.1.Influenta reactiei negative asupra amplificatorului

Reactia negativa micsoreaza amplificare dar mareste stabilitatea ei. In adevar sa consideram ca dintr-o cauza oarecare (de exemplu variatia temperaturii) s-a produs o variatie a amplificatorului fara reactie. In acest caz in relatia , care reprezinta relatia amplificatorului cu reactie, A devine si devine :

scazand cele doua relatii se obtine

Impartind prin A' si tinand seama ca se obtine

Rapoartele , respectiv dau stabilitate amplificarii fara reactie, respectiv cu reactie- In cazul reactiei negative K>1 deci < deci stabilitatea se imbunatateste.

IV.2.Influenta reactiei negative asupra caracteristicilor amplitudine-frecventa

In cazul aplicarii unei reactii negative, caracteristica de frecventa se modifica dupa cum se observa din figura IV.1 obtinandu-se o largire a benzii de frecvente. Se poate demonstra ca frecventele limita superioare si inferioare devin:

unde

unde

IV.3.Influenta reactiei negative asupra distorsiunilor liniare

Sa presupunem ca la intrarea amplificatorului se aplica un semnal sinusoidal, iar la iesire datorita caracteristicii neliniare a tranzistorului, semnalul apare distorsionat. Prin circuitul de reactie negativa, este aplicat din nou la intrare in opozitie de faza, deci cu o deformare contrara celei de la iesire. In consecinta semnalul rezultat va fi mai putin deformat prin compensare.

Factorul de distorsiuni in cazul amplificatorului cu reactie negativa, este dat de formula:

unde

IV.4.Influenta reactiei negative asupra impedantelor de intrare si de iesire ale amplificatorului

In cazul amplificatorului cu reactie serie, impedanta de intrare creste fata de cazul amplificatorului fara reactie. Intr-adevar plecand de la formulele:

si folosind relatiile si

Se poate demonstra ca impedanta de iesire scade in cazul folosirii reactiei negative, dupa formula: unde

In general, daca se foloseste o reactie negativa foarte puternica inlocuind in relatia rezulta adica amplificarea cu reactie devine independenta de parametri amplificatorului, obtinandu-se astfel amplificatoare de mare stabilitate.

Aceste consecinte ale aplicarii reactiei negative in amplificatoare justifica pentru ca este nelipsita din amplificatoare.

Capitolul V

Schema practica

Figura V.1.Schema electrica etaj final audio

Figura V.2.Cablaj etaj final audio

Capitolul VI

Norme de protectia muncii

Fiecare om al muncii este obligat ca, inainte de folosirea mijloacelor individuale de protectie, sa verifice lipsa defectelor exterioare, curatenia lor, marcarea tensiunii la care este permisa utilizarea precum si daca nu s-a depasit termenul de mentinere a caracteristicilor electrice.

Art.3825: Amestecul acizilor se face turnand pe cel mai concentrat in cel mai diluat-

Art.3539: La exploatarea bailor cu continut acid se va evita contactul solutiilor cu pielea

Art.3676: Comenzile de pornire si oprire a lucrarilor se vor face de catre seful de lucrare, si tot el va conduce probele.

Art.3689: Cablurile mobile de legatura se vor controla inainte de punerea sub tensiune

Art.3699: Este interzisa modificarea montajelor electrice aflate sub tensiune.

Art.3720: Se interzice atingerea legaturilor neizolate chiar daca acestea sunt alimentate la tensiuni joase.

In toate atelierele si locurile de munca in care se foloseste energia electrica se asigura protectia impotriva electrocutarii.

Prin electrocutare se intelege trecerea unui curent electric prin corpul omenesc. Tensiunea la care este supus omul la atingerea unui obiect sub tensiune este numita tensiune de atingere.

Gravitatea electrocutarii depinde de o serie de factori:

Rezistenta electrica a corpului omenesc. Rezistenta medie a corpului (pielea este singurul organ izolator) este de 1000 si poate avea valori mai mari pentru o piele uscate sau valori mult mai mici (200) pentru o piele uda sau ranita

Frecventa curentului electric. Curentul alternativ cu frecvente intre 10-100Hz este cel mai periculos. La frecvente de circa 500.000Hz excitatiile nu sunt periculoase chiar pentru intensitati mai mari ale curentului electric.

Durata de actiune a curentului electric. Daca durata de actiune a curentului electric este mai mica de 0,01 efectul nu este periculos;

Calea de trecere a curentului prin corp. Cele mai periculoase situatii sunt cele in care curentul electric trece printr-un circuit in care intra si inima sau locuri de mare sensibilitate nervoasa (ceafa, tampla etc.)

Valorile curentilor care produc electrocutarea. Acestea se pot calcula simplu cu legea lui Ohm: unde R este suma rezistentelor din circuit. -valoarea limita a curentilor nepericulosi sunt 10mA curent alternativ si 50mA curent continuu.

Efectele trecerii curentului electric prin corpul omenesc se pot grupa in:

Electrosocuri si electrotraumatisme. Cand valoarea intensitatii curentului electric este mai mica de 1mA, nu se simte efectul socului electric. La valori mai mari de 10mA curent alternativ se produc comotii nervoase in membre; contractiile muschilor fac ca desprinderea omului de obiectul aflat sub tensiune sa se faca greu. Peste valoarea de 10mA se produce fibrilatia inimii si oprirea respiratiei. Electrotraumatismele se datoreaza efectului termic al curentului electric si pot provoca orbirea, metalizarea pielii, arsuri.

Cositorirea si lipirea se fac in locuri special amenajate si prevazute cu sisteme de ventilatie corespunzatoare.

Art.3760: Baile de cositor pot fi izolate termic astfel incat temperatura elementelor exterioare sa nu depaseasca 35 grade Celsius

Art.3761: Se interzice introducerea in baia de cositor a unor piese umede; este interzisa introducerea in bai fara sa fi fost in prealabil sters si uscat.

Art.3762: Locurile de munca la care se executa operatii de lipire vor fi prevazute cu un sistem de ventilatie locala pentru absorbirea nocivitatilor din zona ciocanului de lipit.

Art.3764: Toate sculele electrice portabile folosite la lipire vor fi alimentate la o tensiune de sub 24V, iar in locurile periculoase din punct de vedere al electrocutarii alimentarea se va face la 12V.

Este interzisa modificarea montajelor electrice sub tensiune

Aparatele electrice si dispozitivele auxiliare sa fie alimentate la o tensiune corespunzatoare si sa aiba prize cu impamantare.

Bibliografie

.Adrian Bitoiu, Gheorghe Baluta , Edmond Nicolau

Practica electronistului amator

Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1984

.Edmond Nicoalu, Belis Mariana

Masurari electrice si electronice

Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1984

.Theodor Danila, Monica Ionescu-Vlad

Componente si circuite electronice

Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1984

.Ion Cristea, Gheorghe Constantinescu

Manualul muncitorului electronist

Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1984